SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Интегрированная SCADA КРУГ‑2000® – основа распределенных систем управления

На основе системы SCADA КРУГ‑2000®, в которой SCADA-уровень интегрирован с уровнем программирования контроллеров, создаются сложные распределенные системы управления, обладающие максимальной эффективностью и высоким уровнем надежности.

ООО «КРУГ-Софт», г. Пенза

krug.gif

В настоящий момент, если оценивать в стоимостном выражении, в среднем больше половины рынка SCADA-систем приходится на системы, тесно интегрированные с оборудованием. Большинство крупных производителей контроллеров имеют свои SCADA-системы (а те, кто не имеет, уже подписали партнерские соглашения с производителями SCADA по совместному продвижению продуктов). При этом доля распределенных систем управления (РСУ), созданных на основе SCADA, составляет около 60–70 %.

Системы автоматизации на базе SCADA КРУГ‑2000® находятся в промышленной эксплуатации на многих предприятиях России и ближнего зарубежья и обеспечивают контроль и надежное управление технологическими процессами.

Все эти системы отвечают современным требованиям, предъявляемым к РСУ:
- отличаются отказоустойчивостью и безопасностью;
- просты в разработке и при конфигурировании;
- поддерживают территориально распределенную архитектуру;
- имеют единую конфигурационную базу данных;
- обладают развитым человеко-машинным интерфейсом.

Что же позволяет SCADA КРУГ‑2000® соответствовать этим требованиям и идти в ногу со временем?

По своим характеристикам SCADA КРУГ‑2000® относится к классу интегрированных систем промышленной автоматизации. В таких системах SCADA-уровень объединен с уровнем программирования контроллеров, что позволяет построить эффективную распределенную систему ввода/вывода данных с их децентрализованной обработкой.

Глубокую интеграцию SCADA КРУГ‑2000® и среды программирования контроллеров обеспечивают следующие решения:
- единая структурная база данных реального времени для SCADA- и контроллерного уровней;
- универсальная среда для создания программ пользователя как для контроллеров, так и для верхнего уровня (серверов, станций оператора);
- сетевая загрузка программного обеспечения (ПО) контроллеров;
- замена алгоритмов пользователя «на лету», без перезапуска контроллера;
- онлайн-диагностика контроллера и его модулей;
- максимальная децентрализация обработки переменных (вся обработка переменных происходит на контроллерном уровне);
- поддержка отказоустойчивого высокоэффективного протокола обмена с контроллерами;
- ведение трендов на контроллере;
- обеспечение единства системного времени SCADA- и контроллерного уровней.

Пример архитектуры распределенной системы управления, построенной на основе SCADA КРУГ‑2000®, приведен на рис. 1.

Ris.1.png


Рис. 1. Архитектура распределенной системы управления


Данная архитектура позволяет:
- распределить вычислительные задачи между абонентами системы, тем самым повышая надежность и живучесть всего программно-технического комплекса;
- установить устройства связи с объектом (УСО) в непосредственной близости к технологическому оборудованию, что дает огромную экономию контрольного кабеля по сравнению с традиционным вариантом;
- для крупных АСУ ТП, состоящих из нескольких независимых систем (например, для АСУ ТП ТЭЦ, включающей в себя несколько независимых АСУ ТП-агрегатов), – создать распределенную базу данных. При этом клиентские станции (станции оператора) имеют доступ ко всем локальным базам распределенной системы в реальном времени. Преимуществом такого подхода является снижение требований к вычислительной мощности серверов, повышение гибкости в плане проведения поэтапного внедрения АСУ ТП, ее ремонтопригодности и локализации отказов, простота внесения изменений и масштабирования.

В рамках SCADA КРУГ‑2000® для создания и работы распределенной системы управления тесно взаимодействуют SCADA-средства (среда разработки и среда исполнения) и средства системы реального времени контроллера (СРВК). Рассмотрим их подробнее.


Основные решения SCADA-уровня

Автоматическая поддержка целостности баз данных контроллеров и сервера БД. Структура и содержание баз данных верхнего и нижнего уровней однократно создаются в среде разработки. По протоколу обмена любые изменения в контроллере сразу попадают в сервер БД, так как изменение описателей является приоритетным действием. Аналогично изменение описателей БД в базе данных верхнего уровня (команда управления) сразу попадают в контроллер. За счет этого поддерживается целостность базы данных нижнего и верхнего уровней. 

Автоматическое конфигурирование и загрузка БД контроллерного уровня из БД верхнего уровня. Конфигурирование БД нижнего уровня и ее загрузка осуществляются автоматически. Формирование БД верхнего уровня включает привязку переменных к базе данных нижнего уровня (для этого служат атрибуты переменной «Номер канала», «Номер переменной в УСО», «Номер платы», «Номер входа»). При сохранении БД верхнего уровня имеется возможность автоматического сохранения БД «по каналам» (БД нижнего уровня). Сформированная БД нижнего уровня затем загружается в контроллер.

Программирование контроллеров. Одним из базовых компонентов SCADA КРУГ‑2000® является среда программирования контроллеров KrugolDevStudio (рис. 2), изначально ориентированная на создание автоматизированных систем для промышленных объектов и учета энергоресурсов.
KrugolDevStudio позволяет решать многие задачи в области промышленной автоматизации, например:
- обеспечивать программно-логическое управление технологическим оборудованием;
- реализовать алгоритмы рационального управления;
- проводить мониторинг технологического процесса (формирование и визуализация оперативных и архивных трендов);
- проводить технический и коммерческий учет потребления энергоресурсов;
- использовать имитацию, разрабатывать сценарии технологических процессов для обучения персонала.
Программы, созданные в KrugolDevStudio, могут исполняться на контроллерах и одноплатных компьютерах, работающих под управлением системы реального времени контроллера (СРВК) разработки Группы компаний «КРУГ», а также в SCADA КРУГ‑2000®.
Отладчик KrugolDevStudio обеспечивает отладку как для платформы SCADA-системы, так и для платформы контроллера (Linux, QNX). При этом для платформы контроллера возможна как локальная, так и удаленная отладка.

Ris.2.png

Рис. 2. KrugolDevStudio. Программирование для SCADA и контроллеров

Поддержка отказоустойчивых высокоэффективных алгоритмов и протоколов обмена с контроллерами и абонентами сети. Среда исполнения SCADA КРУГ‑2000® обеспечивает обмен переменными всех типов и сообщений, формируемых контроллером, с сервером БД, а также обмен между серверами БД по «собственным» высокоэффективным протоколам обмена: «PC-контроллер»; «PC-контроллер (дублированный процессор)» – обмен с контроллерами со 100‑процентным резервированием процессорной части контроллера; «PC-контроллер (ТМ)» – обмен с контроллерами с поддержкой функций телемеханики (соответствует МЭК 60870-5-104); «Сервер БД». Использование протоколов «PC-контроллер», «PC-конт­роллер (дублированный процессор)», «PC-контроллер (ТМ)» обеспечивает передачу команд управления от оператора к контроллеру с максимальным приоритетом.
Применение модулей «Межсерверный обмен» (протокол «Сервер БД») и «Многосерверный доступ» позволяет осуществлять обмен переменными и протоколами событий между серверами БД различных АСУ ТП, а также мониторинг и диспетчерское управление несколькими АСУ ТП с одного рабочего места (рис. 3). Одним из достоинств этого решения является возможность вывода обобщенной сигнализации с заданных серверов БД и смены графического проекта и подключения клиента к другому серверу БД по команде из графического интерфейса пользователя. При этом поддерживается резервирование серверов.

Ris.3.png

Рис. 3. Межсерверный обмен и многосерверный доступ

Поддержка протоколов обмена данными по ОРС-технологии. В среде исполнения SCADA КРУГ‑2000® реализован обмен оперативными и историческими данными по протоколам «ОРС-клиент», «ОРС HDA-клиент», «ОРС-сервер». Таким образом, обеспечивается обмен данными с разнотипными приборами и устройствами, а также передается информация на верхние уровни управления производством.

Резервируемые структуры. SCADA КРУГ‑2000® обеспечивает следующие возможности резервирования:
- резервирование сети – 100‑процентный «горячий» резерв;
- резервирование серверов базы данных – 100‑процентный «горячий» резерв;
- резервирование архивов;
- резервирование станций оператора – N‑кратное резервирование;
- резервирование функций коррекции системного времени;
- резервирование функций обмена;
- резервирование функций печати.
Резервирование обеспечивают модули среды исполнения SCADA КРУГ‑2000®. Разработка дополнительного прикладного программного обеспечения не требуется.

Коммуникационная среда. SCADA КРУГ‑2000® поддерживает следующие основные средства связи:
- локальную вычислительную сеть (ЛВС) на базе Ethernet (10/100/ 1000 Мбит/сек). Эта сеть используется для связи между серверами, станциями и контроллерами;
- выделенные физические линии: RS‑232, RS‑485, специальные модемы;
- коммутируемые телефонные линии (модемы);
- радиоканал (радиомодем);
- промышленные сети: CAN, DeviceNet, OpenNet, Profibus и другие. В случае применения промышленных сетей, например на базе физических интерфейсов RS‑232, RS‑485, в SCADA КРУГ‑2000® поддерживаются протоколы MODBUS RTU, MODBUS TCP и ряд других промышленных протоколов.
В качестве базового протокола сетевого взаимодействия используется протокол TCP/IP (UDP). При этом реализована программная «надстройка» (расширение) протокола UDP, которая обеспечивает возможность его применения в системах реального времени. Таким образом, SCADA КРУГ‑2000® обеспечивает практически детерминированный доступ к сети с гарантированным (задаваемым пользователем) временем обмена данными.
Сервер базы данных SCADA КРУГ‑2000® поддерживает работу по 255 коммуникационным каналам.
Обобщенная структура компонентов экспорта/импорта данных SCADA КРУГ‑2000® приведена на рис. 4.

Ris.4.png

Рис. 4. Компоненты экспорта/импорта данных


Особенности СРВК

Система реального времени контроллеров создана на базе IBM PC-совместимых процессоров, процессоров архитектуры Xscale и ARM9. СРВК реализует функции управления объектом, а также функции сбора, хранения и обработки информации и позволяет выполнять произвольные программы пользователей, разработанные в среде KrugolDevStudio.

Высокая надежность. СРВК зарекомендовала себя как среда исполнения контроллеров с высочайшим уровнем надежности. Контроллеры под управлением СРВК применяются на многих опасных объектах крупных компаний в энергетике, нефтеперерабатывающей, газовой и химической отраслях промышленности.
В СРВК используется целый комплекс технических решений, направленных на повышение надежности программно-аппаратного комплекса, в составе которого функционирует система реального времени контроллера:
- диагностика каналов связи и возможность их 100‑процентного «горячего» резервирования;
- резервирование модулей ввода/вывода (включая возможность 100‑процентного резервирования);
- 100‑процентное «горячее» резервирование процессоров на одном контроллере;
- 100‑процентное «горячее» резервирование контроллеров;
- обеспечение «безударного перехода» при переключении с основного на резервный контроллер;
- поддержка кластерной архитектуры с дублированием контроллеров;
- хранение архивов на контроллере;
- самодиагностика контроллера;
- автовосстановление ПО контроллера;
- остановка системы по сигналу от ИБП;
- автоматическая коррекция времени цикла контроллера в реальном времени;
- коррекция системного времени.

Функции ПИД-регулирования. Контроллеры под управлением СРВК позволяют легко и быстро создавать контуры ПИД-регулирования (в том числе каскадного и многосвязного). Пользовательские алгоритмы, разветвленная система сигнализаций, функции «динамических» и «статических» балансировок, компенсации люфтов, а также множество других дополнительных настроек позволяют реализовать самые разнообразные системы регулирования.

Межконтроллерный обмен. СРВК обеспечивает обмен данными между контроллерами в распределенных системах по локальной вычислительной сети. В процессе межконтроллерного обмена через заданный интервал времени проверяется изменение передаваемых параметров, в том числе доступен режим с частотой цик­ла контроллера.

Функция регистрации аварийных ситуаций. Данная функция позволяет при возникновении внештатной ситуации сохранять в предаварийном и послеаварийном протоколах заранее заданные параметры в определенном интервале времени.

Ведение трендов на контроллере. Функциональность программных средств позволяет сохранять в базе данных контроллера вместе с текущим значением время последнего изменения переменной и качество полученного значения. Возможность сохранения меток времени и данных на уровне контроллера позволяет точно восстановить информацию на сервере в случае сбоя или обрыва связи.

Автоматическая обработка диагностической информации с модулей контроллеров на уровне плат и отдельного входа/выхода.

Широкие коммуникационные возможности. СРВК поддерживает большой список драйверов для информационного обмена с различными приборами и устройствами, подключенными к контроллеру.
Поддерживается возможность организации информационного обмена по медленным и неустойчивым каналам связи. Телемеханический канал связи (соответствует ГОСТ Р МЭК 60870-5-104) обеспечивает устойчивую передачу данных по медленным и ненадежным линиям связи между контроллерами и SCADA-системой. В сочетании с возможностью передачи архивов, хранящихся на контроллере, телемеханический канал обеспечивает доступ к данным даже при час­тых разрывах линии связи и низкой скорости информационного обмена.
Кроме того, для обмена данными с системами верхнего уровня сторонних производителей возможно применение одного из стандартных протоколов обмена (например, MODBUS) или OPC-сервера СРВК. OPC-сервер минимизирует передаваемый трафик, что уменьшает совокупную стоимость владения системой, использующей GSM/GPRS или спутниковые каналы связи.

Список особенностей и достоинств SCADA КРУГ‑2000® можно продолжить, но и приведенные выше однозначно показывают, что интегрированная SCADA КРУГ‑2000® действительно обладает всеми современными средствами для создания распределенных систем управления.


Выводы

Глубокая интеграция SCADA КРУГ‑2000® и системы программирования контроллеров позволяет создавать сложные распределенные системы управления, обладающие максимальной эффективностью и высоким уровнем надежности (рис. 5).

Ris.5.png

Рис. 5. Распределенная система управления турбогенераторами Сормовской ТЭЦ

В крупных и ответственных АСУ контроля и управления такой подход дает возможность значительно сократить время на разработку и отладку проекта, а также заметно снизить итоговую стоимость проекта в целом.

Стратегия развития SCADA КРУГ‑2000® направлена на обеспечение высокой надежности управления и точности передачи измеряемых величин в распределенных системах управления с сохранением высокой производительности обработки данных.


Достоинства SCADA КРУГ‑2000® как основа для создания РСУ

Однократно создаваемая база данных для SCADA- и контроллерного уровня позволяет в дальнейшем автоматически отследить целостность и синхронность баз тегов на всех распределенных компонентах системы (контроллерах, серверах).

1. Единый язык и среда программирования дают возможность с минимальными затратами в едином стиле разрабатывать технологические программы для контроллеров и серверов.

2. Встроенные и настраиваемые высокоэффективные и быстродействующие алгоблоки (алгоритмы автоматического регулирования, алгоритмы управления задвижками и другие) снижают трудоемкость инжиниринговых работ.

3. Четкое распределение функций между узлами системы позволяет строго контролировать, какие функции и на каком уровне (в контроллере или сервере) выполнять. К таким функциям относятся сигнализация, ведение истории, различные технологические алгоритмы сбора данных, обработки и управления.

4. Реализация сложных схем резервирования (контроллеров, связи, серверов и источников данных), а также внутренний протокол обмена данными с возможностью контроля доставки команд управления обеспечивают высокий уровень надежности автоматизированной системы.

5. Ведение трендов на уровне контроллера позволяет точно восстановить информацию на сервере в случае сбоя или обрыва связи.

6. Использование событийных трендов и асинхронного режима работы значительно снижает сетевой трафик, минимизирует количество передаваемых пакетов данных и делает возможным единовременную передачу всей необходимой информации. Это особенно важно в системах учета, диспетчеризации и телемеханики при обмене оперативными и историческими данными по каналам с малой пропускной способностью.

7. Поддержка распределенной архитектуры позволяет устанавливать устройства связи с объектом (УСО) в непосредственной близости к теплоэнергетическому оборудованию, что дает огромную экономию контрольного кабеля по сравнению с традиционным вариантом.

8. Широкое использование промышленных стандартов (например, IEC 870-5-101/104, MODBUS, ОРС, ODBC) обеспечивает информационную, конфигурационную и сетевую открытость распределенной системы и создает платформу для единого информационного пространства.

9. Модульное построение программных средств обеспечивает масштабирование системы в рамках выбранной архитектуры как по количеству переменных, так и по составу функций.

«КРУГ-Софт» приглашает всех разработчиков бесплатно опробовать SCADA КРУГ‑2000®.
Дистрибутив демоверсии можно получить на сайте www.krug2000.ru.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(46)_2013

Л. В. Гурьянов, к. т. н., ведущий специалист
ООО «КРУГ-Софт», г. Пенза,
тел.: (8412) 499-775,
e‑mail: krug@krug2000.ru,
www.krug2000.ru